CN108971442A - 一种用于对金属镁熔体进行强剪切的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于对金属镁熔体进行强剪切的装置，包括叶轮1和第一外壳2；所述叶轮1包括叶轮轴11和叶轮片12，所述叶轮片12安装在所述叶轮轴11上；所述叶轮片12包括叶轮片主体121和叶轮片刃122，所述叶轮片刃122的扭角范围为4.2‑10度；所述第一外壳2是由侧壁和顶壁构成腔体结构，所述第一外壳2包括金属镁熔体入口和金属镁熔体出口。本发明可减少镁锭内部原子排列紊乱而形成的气孔、夹杂等缺陷，从而有效提高了镁锭品质和各项性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及镁及镁合金技术领域，具体涉及一种金属镁熔体强剪切处理工艺。
背景技术
镁合金具有比重轻、比强度和比刚度高、易回收等特性，可以满足航空、航天、现代汽车、轨道交通、船舶、国防军工等领域对减重、节能的要求，是世界公认继钢铁和铝之后第三大金属结构材料，被誉为21世纪的绿色工程材料。镁将成为中国制造业振兴和创新的重要战略性材料支撑，盐湖镁产业的发展，将推动世界基础材料升级换代，加快相关产业变革。镁合金是结构材料中最轻的金属，具有比强度和比刚度高、阻尼性和导电性能好、电磁屏蔽能能力强、优良的减震性和铸造性能以及能回收利用等优点，近年来在航空、汽车、电子等领域得到日益广泛的应用。镁合金中的夹带物与气体的存在，严重损害了合金的强度、韧性、疲劳抗力、流动性和铸造性能以及抗腐蚀性能等。因此对镁合金溶体的净化技术进行研究具有十分重要的意义。
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但经过现有技术中所述设备处理过的镁合金仍然存在夹杂杂质和缺陷的问题，镁金属品质难以提高，铸造镁合金存在晶粒组织及析出相比较粗大且分布不均衡，难以满足高性能结构材料的需求，没有充分发挥镁合金材料的潜在优势和特点。因此，亟需一种生产高品质镁金属的设备和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属镁熔体强剪切处理设备，以提高镁金属产品的品质，解决铸造镁合金存在晶粒组织及析出相比较粗大且分布不均衡，难以满足高性能结构材料的需求，没有充分发挥镁合金材料的潜在优势和特点的问题。
为实现上述目的，本发明提供了第一技术方案：一种用于对金属镁熔体进行强剪切的装置，包括叶轮1和第一外壳2；所述叶轮1包括叶轮轴11和叶轮片12，所述叶轮片12安装在所述叶轮轴11上；所述叶轮片12包括叶轮片主体121和叶轮片刃122，所述叶轮片刃121的扭角范围为4.2-10度；所述第一外壳2是由侧壁和顶壁构成腔体结构，所述第一外壳2包括金属镁熔体入口和金属镁熔体出口。
第二技术方案基于第一技术方案，所述的装置还包括驱动装置3，所述驱动装置3与所述叶轮轴11连接，用于驱动所述叶轮并调节所述叶轮的转速。
第三技术方案基于第一技术方案，所述叶轮片12的叶轮片刃122数量为1-8个。
第四技术方案基于第一技术方案，所述叶轮片12为一片或多片，所述叶轮片12固定安装在所述叶轮轴11上，与所述叶轮轴11同轴同向转动。
第五技术方案基于第一技术方案，所述叶轮1包括第一叶轮片A和第二叶轮片B；所述第二叶轮片B设置在所述第一叶轮片A的镁金属熔体流入方向。
第六技术方案基于第五技术方案，所述第二叶轮片B的叶轮片刃122的扭角大于所述第一叶轮片A。
第七技术方案基于第五技术方案，所述第一叶轮片A固定安装在所述叶轮轴11上，所述第二叶轮片B套接在所述叶轮轴11上，所述叶轮轴11和所述第二叶轮片B之间安装有变速传动装置，用于使所述第二叶轮片B和所述第一叶轮片A之间产生转速差。
第八技术方案基于第五技术方案，所述第一叶轮片A固定安装在所述叶轮轴11上，所述第二叶轮片B套接在所述叶轮轴11上，所述第一叶轮片A和第二叶轮片B之间设置有联动装置，用于使所述第一叶轮片A和第二叶轮片B旋转方向相反。
第九技术方案基于第八技术方案，所述联动装置包括第一齿轮51、第二齿轮52、第三齿轮53；所述第一齿轮51安装在所述第一叶轮片A上，并与所述第一叶轮片A同轴；所述第二齿轮52安装在所述第二叶轮片B上，并与所述第二叶轮片B同轴；所述第三齿轮53安装在所述第一齿轮51和第二齿轮52之间，并与所述叶轮轴11平行，所述第三齿轮53分别与所述第一齿轮51和第二齿轮52齿合。
第十技术方案基于第九技术方案，所述第一叶轮片A和所述第二叶轮片B扭角方向相反。
第十一技术方案，一种用于金属镁熔体输送的系统，包括第一至第十方案中所述的用于对金属镁熔体进行强剪切的装置，还包括输送泵6；所述输送泵6的入料口与所述第一外壳2的金属镁熔体出口连接，用于抽取金属镁熔体；所述输送泵6的泵轴与所述叶轮轴11连接，用于向所述叶轮轴11提供驱动力。
第十二技术方案基于第十一技术方案，所述的系统，还包括变速箱8；
所述变速箱8位于所述输送泵6的泵轴与所述叶轮轴11之间，用于调节所述叶轮的转速。
第十三技术方案基于第十一技术方案，所述的系统，还包括输送管7，所述输送管7与所述输送泵6的出液口连接，用于输送所述金属镁熔体。
第十四技术方案基于第十三技术方案，所述的系统，还包括加热装置9，所述加热装置9安装在所述输送管上，用于在输送金属镁熔体过程中保持所述金属镁熔体的熔体状态。
第十五技术方案基于第十一技术方案，所述的系统，还包括泵壳10，所述泵壳10安装在所述输送泵上，用于容纳所述输送泵。
第十六技术方案，一种对金属镁熔体进行强剪切处理的方法，包括，在连续精炼炉中对金属镁进行熔炼，得到金属镁熔体；使用第一到第十技术方案所述的装置对金属镁熔体进行强剪切；使用输送泵抽取所述金属镁熔体；使用带加热装置的输送管输送所述金属镁熔体。
本发明的强剪切装置高速旋转后打破镁及镁合金原有原子排列和分布，使熔体镁及镁合金内的原子重新有序排列，破碎熔体内的夹杂物，然后熔体内的镁及镁合金利用泵体和输送管抽出后浇铸到模具中。可减少镁锭内部原子排列紊乱而形成的气孔、夹杂等缺陷，从而有效提高了镁锭品质和各项性能要求。
附图说明
图1是一种用于对金属镁熔体进行强剪切的装置的示意图；
图2是驱动装置的示意图；
图3是一种叶轮片的示意图；
图4是同轴同速转动的两片叶轮片的示意图；
图5是两个叶轮片的另一种示意图；
图6是两片叶轮片反向转动的示意图；
图7是联动装置的示意图；
图8是一种用于金属镁熔体输送的系统的示意图；
图9是变速箱的示意图；以及
图10是加热装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，参考标号是指本发明中的组件、技术，以便本发明的优点和特征在适合的环境下实现能更易于被理解。下面的描述是对本发明权利要求的具体化，并且与权利要求相关的其它没有明确说明的具体实现也属于权利要求的范围。
图1示出了一种用于对金属镁熔体进行强剪切的装置的示意图。
如图1所示，一种用于对金属镁熔体进行强剪切的装置，其特征在于：包括叶轮1和第一外壳2；所述叶轮1包括叶轮轴11和叶轮片12，所述叶轮片12安装在所述叶轮轴11上；所述叶轮片12包括叶轮片主体121和叶轮片刃122，所述叶轮片刃122的扭角范围为4.2-10度；所述第一外壳2是由侧壁和顶壁构成腔体结构，所述第一外壳2包括金属镁熔体入口和金属镁熔体出口。
金属镁熔体从金属镁熔体入口进入所述第一外壳2，所述叶轮轴11带动所述叶轮片12转动，所述叶轮片主体121会对金属镁熔体的流动产生阻碍，而且叶轮片12的旋转产生的离心力，使得金属镁熔体向所述叶轮片12边缘流动，叶轮片12的叶轮片刃122对金属镁熔体进行剪切，剪切的同时由于离心作用使所述金属镁熔体向所述第一外壳2的侧壁方向流动，所述金属镁熔体碰撞到所侧壁之后回流，再次被剪切。所述叶轮片刃122被设置为在长度方向上具有扭角，从而产生推力，使被剪切的金属镁熔体向金属镁熔体出口方向移动。为了达到较好的剪切效果，需要对影响剪切效果的因素进行优化。所述影响镁溶体剪切效果的主要包括金属镁熔体的流速、所述叶轮片12的转动速率、所述叶轮片刃122的扭角大小等因素。本发明中的对金属镁溶体进行强剪切的装置是安装在对金属镁熔体进行抽取输送的输送泵6上，因为所述输送泵6对金属镁熔体主要起抽取的作用，所以金属镁熔体会以一定的速度流过所述叶轮片12的剪切区域。以水平方向为0度，对所述叶轮片刃122设置扭角在4.2-10度时，对金属镁熔体的流速、以及所述叶轮片12转动速率适应性最佳。当所述扭角角度过大时，比如大于15度，其对所述金属镁熔体的推动速度会与所述输送泵对金属镁熔体的抽取速度相接近，此时，剪切效果逐渐降低。当所述扭角角度过小时，比如到2度左右时，所述叶轮片刃122对所述金属镁熔体的流动会产生较大的阻碍，使所述输送泵6对所述金属镁熔体的抽取作用降低，更严重的，还会因为金属镁熔体的流动对所述叶轮片刃122的冲击，造成所述叶轮片刃122的损伤。所以，经过对不同金属镁熔体的流速、所述叶轮片12的转动速率以及剪切后形成的镁锭中球晶的稳定性进行对比，最终确定所述叶轮片刃122的扭角为4.2-10度时最佳，优选5-6度。所述金属镁熔体经过强剪切之后，被输送至镁锭铸造站，进行浇铸作业，以得到镁锭。通过在铸造前增加的强剪切的工序，可以实现细化金属镁晶粒的效果，使得单个球晶的相对稳定性得到显著提高。
所述扭角是指在指定的叶片径向位置(通常为100％叶片半径处)叶片弦线与风轮旋转面的夹角。
图2示出了驱动装置的示意图。
如图2所示，所述的装置，还包括驱动装置3，所述驱动装置3与所述叶轮轴11连接，用于驱动所述叶轮并调节所述叶轮的转速。
所述驱动装置3可以是电动机和变速齿轮箱的组合，通过控制叶轮轴11的转速，来改变剪切速度。所述驱动装置可以单独设置，但在驱动所述叶轮轴11转动时，需要控制其转动速度，使之与金属镁熔体的流动速度相适应，也可以根据不同工艺的需要，控制所述驱动装置的输出功率，使其满足所述叶轮对金属镁熔体进行剪切的需要。
图3示出了一种叶轮片的示意图。
如图3所示，所述叶轮片12的叶轮片刃122数量为1-8个。
所述叶轮片刃122为两个以上时，优选为奇数个，以避免共振。所述叶轮片刃122与所述叶轮片主体121可以是分体安装，也可以是整体结构。采用分体结构，方便对所述叶轮片刃122进行维护，也方便对所述叶轮片刃122的角度进行调整。采用整体结构，可以避免共振，其抗冲击强度增大，能够更好的适应各种金属镁熔体的流速，在对所述叶轮片刃122进行维护时，可以将整个叶轮片12整体卸载，进行维护。
图4示出了同轴同速转动的两片叶轮片的示意图。
如图4所示，所述叶轮片12为一片或多片，所述叶轮片12固定安装在所述叶轮轴11上，与所述叶轮轴11同轴同向转动。
当所述叶轮片12进行多片设置时，金属镁熔体首先经过距离金属镁熔体入口最近的叶轮片12的剪切，形成在第一外壳2侧壁之间的湍流，所述湍流再经过下一个叶轮片12的剪切，继续以湍流的形式向金属镁熔体的出口方向流动，被再下一次剪切，经过多次剪切的金属镁熔体被输送泵抽取进行输送。所述金属镁熔体被多次剪切，其剪切效果优于一次剪切。
图5示出了两个叶轮片12的另一种示意图。
如图5所示，所述叶轮包括第一叶轮片A和第二叶轮片B；所述第二叶轮片B设置在所述第一叶轮片A的金属镁熔体流入方向。
根据本发明的一种实施方式，所述第二叶轮片B的叶轮片刃122的扭角大于所述第一叶轮片A。
所述第二叶轮片B靠近金属镁熔体入口方向，如图5所示，即为处于下方的叶轮片B，两个叶轮片同轴转动，所述第二叶轮片B的叶轮片刃122扭角大于所述第一叶轮片A的叶轮片刃122扭角，使得金属镁熔体经过所述第二叶轮片B的初步剪切，并在叶轮片和第一壳体之间形成湍流，再经过所述第一叶轮片A的二次剪切。其中，在第二叶轮片B处的剪切密度小于在第一叶轮片A处的剪切密度。使得对所述金属镁熔体的剪切效果更好。
进一步的，根据本发明的一种实施方式，所述第一叶轮片A固定安装在所述叶轮轴11上，所述第二叶轮片B套接在所述叶轮轴11上，所述叶轮轴11和所述第二叶轮片B之间安装有变速传动装置，用于使所述第二叶轮片B和所述第一叶轮片A之间产生转速差。
所述变速传动装置可以采用齿轮组等组件，可以采用现有的或将来发明的任意变速传动装置，以实现所述叶轮轴11与所述第二叶轮片B之间的转速差，应为所述第一叶轮片A是和所述叶轮轴11同步转动，所以使所述第二叶轮片B和所述第一叶轮片A之间产生转速差。
由于两个叶轮片12有不同的转速，在金属镁熔体流速一定时，使得对所述金属镁流体的剪切有更好的效果。
图6示出了两片叶轮片反向转动的示意图。
如图6所示，所述第一叶轮片A固定安装在所述叶轮轴11上，所述第二叶轮片B套接在所述叶轮轴11上，所述第一叶轮片A和第二叶轮片B之间设置有联动装置，用于使所述第一叶轮片A和第二叶轮片B旋转方向相反。
当所述第二叶轮片B与所述第一叶轮片A转动方向相反时，所述第二叶轮片B的叶轮片刃122的扭角也需要反向设置。如图6所示，所述第一叶轮片A和所述第二叶轮片B可以看做以水平方向为轴的一对镜像，所以在二者转动时，会对金属镁熔体产生同向的推力。
金属镁熔体经过所述第二叶轮片B之后，会形成与所述第二叶轮片B通向转动的螺旋上升的湍流，在被所述第一叶轮片A剪切时，所述湍流与所述第二叶轮片B转动方向相反，从而使得剪切效果更好。
图7示出了联动装置的示意图。
如图7所示，所述联动装置包括第一齿轮51、第二齿轮52、第三齿轮53；所述第一齿轮51安装在所述第一叶轮片A上，并与所述第一叶轮片A同轴；所述第二齿轮52安装在所述第二叶轮片B上，并与所述第二叶轮片B同轴；所述第三齿轮53安装在所述第一齿轮51和第二齿轮52之间，并与所述叶轮轴11平行，所述第三齿轮53分别与所述第一齿轮51和第二齿轮52齿合。
根据本发明的一种实施方式，所述第一叶轮片A和所述第二叶轮片B扭角方向相反。
所述第一齿轮51和所述第一叶轮片A可以是一体加工成型，也可以通过铆接等方式进行连接；所述第二齿轮52和所述第二叶轮片B可以是一体加工成型，也可以通过铆接等方式进行连接。所述第一齿轮51和所述第三齿轮53齿合，所述第二齿轮52和第三齿轮53齿合。图7的左侧是上述三个齿轮相互配合的示意图，右侧为第三齿轮53的正面示意图。
当所述第一齿轮51在俯视方向上逆时针转动时，从图7的右侧向左看，所述第一齿轮51会带动所述第三齿轮53顺时针转动，进而所述第三齿轮53会带动所述第二齿轮52转动。所述第二齿轮52会在俯视方向上顺时针转动，从而使所述第一齿轮51和第二齿轮52的转动方向相反。
图8示出了一种用于金属镁熔体输送的系统的示意图。
如图8所示，一种用于金属镁熔体输送的系统，包括上述用于对金属镁熔体进行强剪切的装置，还包括输送泵6、输送管7；所述输送泵6的入料口与所述第一外壳2的金属镁熔体出口连接，用于抽取金属镁熔体；所述输送泵6的泵轴与所述叶轮轴11连接，用于向所述叶轮轴11提供驱动力；所述输送管7与所述输送泵6的出液口连接，用于输送所述金属镁熔体。
所述金属镁熔体输送系统，用于从精炼炉中将金属镁熔体抽取出来，输送至镁锭铸造机浇铸站，在所述镁锭铸造机浇铸站浇铸成镁锭。
在本发明中，将所述输送泵6的泵轴与所述叶轮轴11连接，避免了单独设置动力装置以驱动所述对金属镁熔体进行强剪切的装置。在对金属镁熔体进行剪切和抽取的过程，都需要在金属镁熔体的液面以下进行，所处的环境温度较高，各装置尽可能的简洁，会减少设备的维护和故障率。
图9示出了变速箱的示意图。
如图9所示，所述的系统，还包括变速箱8；所述输送泵6的泵轴与所述叶轮轴11连接，所述变速箱6位于所述输送泵的泵轴与所述叶轮轴11之间，用于调节所述叶轮1的转速。
在使用所述输送泵6的动力向所述叶轮轴11输出驱动力时，为了控制输送泵6对金属镁熔体的抽取速度和叶轮1对金属镁熔体的剪切速度相匹配，达到最佳剪切效果，需要对所述叶轮1的转速进行调整，本发明将所述输送泵6的泵轴与所述叶轮轴11通过所述变速箱8连接，以实现所述叶轮轴11的转速控制。
图10示出了加热装置的示意图。
如图10所示，所述的系统，还包括加热装置9，所述加热装置9安装在所述输送管7上，用于在输送金属镁熔体过程中保持所述金属镁熔体的熔体状态。
合金熔体温度均匀降低到足以形核的过冷度时，会发生同时形核，从而获得高密度晶核；在晶粒生长过程中，晶粒处在一个相对均匀的温度场、浓度场环境中，有利于晶粒以球晶方式均匀地长大，能有效抑制非枝晶生长，形成均匀、细小的球晶组织。
所以，在金属镁熔体的输送过程中，一方面需要使所述金属镁熔体保持在熔体状态，另一方面需要使所述金属镁溶体逐步冷却，本发明通过在所述输送管7上安装加热装置9，使得所述金属镁熔体与所述输送管道接触的部分与其内部基本处于同温状态，使得最终形成的镁锭密度均匀。
根据本发明的一种实施方式，所述的系统还包括泵壳10，所述泵壳10安装在所述输送泵上，用于容纳所述输送泵6。
所述泵壳10可以用于保护所述输送泵、变速箱等设备，使之在高温环境下，能够正常工作，避免损坏。
根据本发明的一个方面，提供了一种对金属镁熔体进行强剪切处理的方法，包括，在连续精炼炉中对金属镁进行熔炼，得到金属镁熔体；使用上述用于对金属镁熔体进行强剪切的装置对金属镁熔体进行强剪切；使用输送泵抽取所述金属镁熔体；使用带加热装置的输送管输送所述金属镁熔体。
本发明提供的一种用于对金属镁熔体进行强剪切的装置，通过对精炼炉中的金属镁熔体进行强剪切，解决了铸造镁合金存在晶粒组织及析出相比较粗大且分布不均衡的问题；在输送过程中，采用加热装置的设置，使得金属镁熔体在输送过程中逐步冷却，使得最终的镁锭密度均匀。
实施例
将电解槽中的熔融镁抽取后送入连续精炼炉中，连续精炼炉有六个隔间，称为“炉室”。连续精炼炉内对两个分离的液相进行操作，底层液相为熔融盐，上层液相为熔融金属镁(即金属镁熔体)。精炼炉底部连通，使得熔融盐可在整个精炼炉中流动，为了通过交流电极和电解质电阻保持精炼炉的温度。精炼后的镁及镁合金熔体液通过强剪切工艺处理后移送至镁锭铸造机浇铸站，于685℃开始浇铸作业。金属镁熔体进行冷却凝固成350～450℃的固态镁及镁合金锭，然后通过二次冷却输送机采用水冷的方式将镁锭降温至60℃以下，然后堆垛、打捆、入库
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
Claims (10)
1.一种用于对金属镁熔体进行强剪切的装置，包括叶轮(1)和第一外壳(2)；
所述叶轮包括叶轮轴(11)和叶轮片(12)，所述叶轮片(12)安装在所述叶轮轴(11)上；
所述叶轮片(12)包括叶轮片主体(121)和叶轮片刃(122)，所述叶轮片刃(122)的扭角范围为4.2-10度；
所述第一外壳(2)是由侧壁和顶壁构成腔体结构，所述第一外壳(2)包括金属镁熔体入口和金属镁熔体出口。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括驱动装置(3)，所述驱动装置(3)与所述叶轮轴(11)连接，用于驱动所述叶轮(1)并调节所述叶轮(1)的转速。
3.根据权利要求1所述的装置，所述叶轮包括第一叶轮片(A)和第二叶轮片(B)；
所述第二叶轮片(B)设置在所述第一叶轮片(A)的镁金属熔体流入方向。
4.根据权利要求3所述的装置，所述第二叶轮片(B)的叶轮片刃(122)的扭角大于所述第一叶轮片(A)。
5.根据权利要求3所述的装置，所述第一叶轮片(A)固定安装在所述叶轮轴(11)上，所述第二叶轮片(B)套接在所述叶轮轴(11)上，所述叶轮轴(11)和所述第二叶轮片(B)之间安装有变速传动装置(4)，用于使所述第二叶轮片(B)和所述第一叶轮片(A)之间产生转速差。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一叶轮片(A)固定安装在所述叶轮轴(11)上，所述第二叶轮片(B)套接在所述叶轮轴(11)上，所述第一叶轮片(A)和第二叶轮片(B)之间设置有联动装置，用于使所述第一叶轮片(A)和第二叶轮片(B)旋转方向相反。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述联动装置(5)包括第一齿轮(51)、第二齿轮(52)、第三齿轮(53)；
所述第一齿轮安装在所述第一叶轮片(A)上，并与所述第一叶轮片(A)同轴；
所述第二齿轮安装在所述第二叶轮片(B)上，并与所述第二叶轮片(B)同轴；
所述第三齿轮(53)安装在所述第一齿轮(51)和第二齿轮(52)之间，并与所述叶轮轴(11)平行，所述第三齿轮(53)分别与所述第一齿轮(51)和第二齿轮(52)齿合。
8.一种用于金属镁熔体输送的系统，包括权利要求1-10任一项所述的用于对金属镁熔体进行强剪切的装置，还包括输送泵(6)、输送管(7),和加热装置(9)，
所述输送泵(6)的入料口与所述第一外壳(2)的金属镁熔体出口连接，用于抽取金属镁熔体；
所述输送泵(6)的泵轴与所述叶轮轴(11)连接，用于向所述叶轮轴(11)提供驱动力；
所述输送管(7)与所述输送泵(6)的出液口连接，用于输送所述金属镁熔体；
所述加热装置(9)安装在所述输送管(7)上，用于在输送金属镁熔体过程中保持所述金属镁熔体的熔体状态。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括变速箱(8)；
所述输送泵(6)的泵轴与所述叶轮轴(11)连接，所述变速箱(8)位于所述输送泵(6)的泵轴与所述叶轮轴(11)之间，用于调节所述叶轮(1)的转速。
10.一种对金属镁熔体进行强剪切处理的方法，包括，
在连续精炼炉中对金属镁进行熔炼，得到金属镁熔体；
使用权利要求1-7任一项所述的装置对金属镁熔体进行强剪切；
使用输送泵抽取所述金属镁熔体；
使用带加热装置的输送管输送所述金属镁熔体。
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